PLANCK HFI - L effet Sachs-Wolf intégré ou la traversée des

L’effet Sachs-Wolfe intégré ou la traversée des grandes structures
Il existe de nombreuses manières de sonder cette énergie sombre : une des voies explorées pour
la caractériser s'appuie sur la structuration de l'Univers à grande échelle à travers un effet
observationnel particulier appelé effet Sachs-Wolfe intégré (ISW).
Un peu d’histoire
La majorité des observations de la cosmologie moderne s'accordent sur l'existence de l'énergie sombre : une
constante cosmologique ou une forme d'énergie hypothétique emplissant uniformément tout l'Univers, et
responsable entre autres de l'accélération de son expansion. La découverte de ce phénomène a d'ailleurs valu le
prix Nobel de physique en 2011 à trois chercheurs : Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt et Adam G. Riess.
Qu’est-ce l’effet ISW ?
C’est un effet à grande échelle qui a dû déformer la plus ancienne image de l’univers. Cet effet est en effet
théoriquement détectable dans le rayonnement fossile qui traverse, avant de nous parvenir, un certain nombre
de grandes structures de l'Univers (galaxies et amas de galaxies, mais aussi des énormes vides). Du fait de leur
masse, chacune de ces grandes structures génèrent un "potentiel gravitationnel" susceptible d'exercer une
influence sur tout autre corps présent à proximité. En particulier, les photons du rayonnement fossile gagnent
de l'énergie en tombant dans ces puits gravitationnels, et en perdent lorsqu'ils s'en extraient.
Dans un univers sans énergie sombre, ces deux actions se compensent de telle sorte que l'énergie d'un photon
reste inchangée après traversée d'une grande structure. Par contre, l'accélération de l'expansion (et donc l'énergie
sombre) a pour effet d'étirer et d'"aplatir" ces potentiels pendant le passage des photons. En effet, même pour de
la lumière, il faut des centaines de millions d’années pour les traverser, et donc l’expansion de l’univers a le temps
de se fait sentir, du moins un petit peu… Ainsi les photons vont gagner plus d’énergie en tombant dans le puits de
potentiel qu’ils ne vont en dépenser pour en sortir. Cela a pour conséquence de fournir une certaine énergie
supplémentaire à ces photons du rayonnement fossile, qui va dépendre des caractéristiques de l'énergie sombre :
c'est l'effet ISW.
Légende : Si le potentiel gravitationnel est stable (haut), le photon a la même énergie en entrant et en
sortant. En revanche, si le potentiel évolue (bas), par exemple sous l’influence de la constante cosmologique
qui étire l’espace le temps que le photon traverse le potentiel, le photon gagne un peu d’énergie.
Comment détecter l’effet ISW ?
Il laisse donc une trace dans la température du rayonnement fossile, mais celle-ci est trop tenue pour être
détectée dans la carte directement. Heureusement, cette signature est fortement corrélée avec la distribution de
la matière dans l'Univers, dont les potentiels gravitationnels sont justement responsables de l'effet ISW.
Il suffit alors de posséder une carte de cette distribution, même juste une partie du ciel (par exemple : un relevé
de plusieurs milliers de galaxies), et de réaliser une "corrélation croisée" avec le rayonnement fossile pour mettre
en évidence les similitudes entre ces deux cartes. Les caractéristiques de cette corrélation nous renseignent sur la
nature et les propriétés de l'énergie sombre, et peuvent même être utilisées pour discriminer les différents
modèles envisagés pour celle-ci.